CubeSat, la tecnologia spaziale (quasi) a portata di mano

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di Mario Rotigni

La tecnologia CubeSat non è affatto nuova, i primi lanci risalgono alla fine degli anni ’90. La recente
prima missione nello spazio profondo, fuori dall’orbita terrestre, ha riacceso l’attenzione su questa
tecnologia spaziale. Diamo un’occhiata da vicino.

 

La tecnologia CubeSat non è probabilmente il Personal Satellite suggerito da qualcuno ma sicuramente e’ in grado di coinvolgere nelle tecnologie spaziali un numero di persone molto maggiore rispetto alle tecnologie spaziali “tradizionali”. L’attenzione dei media e’ stata recentemente richiamata sulla tecnologia CubeSat da alcune missioni che vedono i nano satelliti cooperare con satelliti tradizionali. Nei suoi sette mesi di viaggio dalla Terra a Marte, il NASA InSight Lander, recentemente sceso su Marte, e’ stato accompagnato da due piccoli veicoli spaziali, chiamati MarCO A e MarCO B. MarCO e’ l’acronimo per Mars Cube One, la prima missione marziana dei satelliti Cubesat ed in realta’ anche la loro prima missione fuori dall’orbita terrestre. Nel 2022 e’ pianificata un altra missione lontana dall’orbita terrestre che vedra’ coinvolto un CubeSat di fabbricazione italiana, LiciaCube (Light Italian Cubesat for Imaging of Asteroids). LiciaCube documentera’ l’impatto intenzionale della sonda NASA Dart con l’asteroide Didymos, nel suo tentativo di deviarne l’orbita. Questa tecnica, definita “deflessione dell’orbita” potrebbe un giorno essere utilizzata per eliminare o ridurre la minaccia di collisioni con oggetti celesti.

Forse ingiustamente meno conosciuto è il CubeSat e-st@r-II in orbita dall’aprile del 2016 e tuttora operativo. Secondo CubeSat progettato e costruito dal team CubeSat del Politecnico di Torino, lanciato in orbita da una missione ESA, e-st@r-II è un esperimento per collaudare un sistema di controllo dell’assetto. La disponibilità di un preciso sistema di orientamento estende evidentemente le possibilità applicative dei satelliti CubeSat. La soluzione proposta da e-st@r-II è basata su un azionamento magnetico per eseguire manovre in orbita ed orientare il satellite in funzione delle necessità della missione da svolgere. L’attività del team CubeSat è coordinata da una docente del Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale del Politecnico di Torino. 

L’idea CubeSat non e’ una nuova tecnologia, e’ stata infatti definita alla fine degli anni ’90. Si tratta di veicoli spaziali basati su moduli di piccole dimensioni che spesso utilizzano componenti non esplicitamente prodotti per applicazioni aerospaziali. Queste caratteristiche aggiunte ad una certa standardizzazione di alcune parti ed al fatto che lo sviluppo e’ tipicamente condotto da studenti universitari e non da aziende commerciali, contiene molto i costi delle missioni. Il lancio viene ospitato da missioni tradizionali, sfruttando la capacita’ in eccesso eventualmente disponibile. Centinaia di CubeSat sono stati lanciati in orbita terrestre negli ultimi venti anni, con le missioni piu’ disparate. La missione affidata ai due MarCO e’ stata fungere da ripetitore radio per inviare immediatamente a Terra dati ed informazioni circa l’esito della discesa ed atterraggio della sonda InSight. Questo ha evitato il ritardo di circa un’ora che sarebbe stato invece necessario trasmettendo gli stessi dati al satellite in orbita marziana Mars Reconnaissance Orbiter, il quale avrebbe poi ritrasmesso a Terra. I due MarCO non erano quindi strettamente necessari per il successo della missione principale ma sono stati il banco di prova per il supporto di CubeSat a future missioni fuori dall’orbita terrestre.

Lo standard Cubesat definito inizialmente da due universita’ californiane (California Polytechnic State University e Stanford), prevede unita’ base cubiche con lato di 10cm e massa fino a 1,33kg. Satelliti piu` grandi possono essere composti da piu’ unità base, con un massimo tipicamente di sei, la configurazione effettivamente usata per i due MarCO. L’intento originale di CubeSat, pienamente realizzato, era offrire accesso allo spazio alle università a condizioni sostenibili, pur in presenza di budget molto ridotti. Attorno all’ambiente scientifico si è creato un ecosistema composto da aziende, agenzie governative, scuole di differente ordine e grado. Tutto questo ha reso possibile progettare ed eseguire missioni spaziali per un’audience di dimensioni impensabili qualche anno fa, ad una frazione del costo di una missione classicsa. NASA ha un’iniziativa denominata CubeSat Launch Initiative (CSLI) per ospitare il lancio missioni CubeSat sfruttando la capacità in eccesso delle missioni di rifornimento verso la stazione spaziale internazionale (ISS). Questo significa che NASA copre i costi di lancio per missioni giudicate particolarmente interessanti, di cui vengano poi condivisi risultati. Il supporto di CSLI riduce quindi i costi di una missione CubeSat al solo sviluppo hardware e software del piccolo satellite ed al suo collaudo. I costi reali dipendono evidentemente dalle funzioni e degli esperimenti scientifici implementati ma si dice possano essere contenuti in poche decine di migliaia di dollari (il costo vivo della struttura e dell’elettronica del satellite). Anche l’Ente Spaziale Europeo (ESA) ha una iniziativa simile a CSLI, http://www.esa.int/Education/CubeSats__Fly_Your_Satellite/Fly_Your_Satellite!_programme

per offrire analoghe opportunita’ direttamente alle universita’ europee. Al momento, ESA preferisce il rilascio dei CubeSat dalla Stazione Spaziale Internazionale, invece che il lancio dal razzo vettore, con supplemento di specifiche volte a garantire la sicurezza della ISS stessa.

Le missioni affidate ai CubeSat sono molteplici. Sono stati lanciati satelliti per osservazioni metereologiche, in grado di coprire l’intero globo con una maggiore frequenza rispetto a satelliti con prestazioni più elevate, seppur con minore risoluzione dell’immagine acquisita. Esperimenti e ricerche nel campo delle telecomunicazioni sono frequente oggetto delle missioni CubeSat. Alcuni satelliti sono stati utilizzati per condurre esperimenti in condizioni di microgravità ad esempio per applicazioni farmacologiche e biologiche. Altri sono stati utilizzati per il monitoraggio ambientale. Si sono svolte missioni con studi geologici, tra cui la rivelazione tempestiva di terremoti. Vari satelliti sono anche stati destinati a sperimentare e perfezionare il sistema di propulsione magnetico, tipicamente usato nelle missioni in in atmosfera terrestre. Il principio di funzionamento è la generazione di un campo magnetico che interagendo con il campo magnetico terrestre è in grado di generare una spinta utile a manovrare o orientare il nano satellite. Altri sistemi di propulsione utilizzabili possono essere costituiti tra emissione di getti di gas, sorgente evidentemente non rinnovabile a differenza della propulsione magnetica, almeno in orbita terrestre.

Ritornando ad aspetti piu’ tecnici, un documento di specifica e` stato sviluppato ed è mantenuto aggiornato e reso disponibile nel sito www.cubesat.org a cura degli enti che hanno dato vita a CubeSat.

La specifica contiene pochi vincoli per l’elettronica ma impone le caratteristiche di sicurezza minime richieste per evitare intempestive attivazioni. E` raccomandato che i sistemi di sicurezza siano triplicati, in applicazione dei criteri di ridondanza tipici delle tecnologie aerospaziali. La scelta di componenti e architetture è interamente lasciata agli sviluppatori del satellite. La specifica è invece molto attenta a definire tutti gli aspetti che consentono la coesistenza con gli altri “payload”, con il vettore e con il sistema di rilascio in orbita. Essendo i CubeSat considerati ospiti di missioni molto più costose ed importanti, ogni precauzione presa al fine di evitare di creare rischi al successo della missione principale ed, in secondo ordine, a se stessi ed altre eventuali missioni CubeSat ospitate. Tutte le dimensioni fisiche sono attentamente definite e raccomandazioni sono fornite sui materiali da utilizzare per la struttura di supporto dei satelliti. A causa delle estreme condizioni di temperatura incontrate in orbita, è indispensabile garantire che i materiali del satellite siano compatibili con i materiali utilizzati nel vettore al fine di prevenire problematiche quali la saldatura a freddo, che comprometterebbero il rilascio del satellite. Vincoli sono forniti circa l’ottenimento di tutte le licenze necessarie per le operazioni radio, la limitazione di detriti orbitali, l’aderenza alle checklist di integrazione e accettazione pre-lancio. Una serie di test è richiesta, comprendente vibrazioni casuali, riscaldamento ed esposizione al vuoto, resistenza agli urti e ispezione visiva per verificare che le dimensioni fisiche rispettino i vincoli imposti. Una parte dei test viene condotta con il satellite integrato nella struttura del vettore. La prova di riscaldamento in condizioni di vuoto intende prevenire prima del lancio fenomeni di degassazione dei materiali. Cicli termici in vuoto, se pur non obbligatori, possono essere utili per evidenziare debolezze del piccolo satellite ed aumentarne le possibilità di successo. Un altro documento molto utile ed interessante, in particolare per chi sia al suo primo sviluppo CubeSat è il tutorial preparato dalla NASA nell’ambito dell’iniziativa CSLI, ‘CubeSat 101: Basic Concepts and Processes for First-Time CubeSat Developer’. Il documento passa attraverso tutte le fasi richieste per lo sviluppo, qualifica per il lancio e documentazione di una nuova missione. Attraversa in dettaglio la progettazione dell’esperimento, finanziamento, lo studio di fattibilità, la progettazione, la presentazione a CSLI, coordinamento della missione, ottenimento delle licenze richieste, fabbricazione collaudo, integrazione nel vettore, lancio e svolgimento della missione. Teoricamente la missione può durare fino a 20 anni ma in pratica la vita utile dei CubeSat è molto inferiore, a causa della loro collocazione in orbite basse che ne determinano quindi un relativamente rapido rientro nell’atmosfera terrestre. Durate dell’ordine delle sei settimane sono possibili. Le caratteristiche dei CubeSat garantiscono che i veicoli siano integralmente disintegrati nella caduta, evitando quindi sia il rischio di impatto al suolo, che la contribuzione all’aumento dei detriti in orbita. Affinché la missione scientifica affidata al nostro CubeSat abbia una rilevanza pratica, sarà indispensabile un sistema di comunicazione che consenta la ricezione a terra di dati e risultati dell’attività svolta. La progettazione di una Ground Station è quindi parte integrante dello sviluppo di ogni missione ed un capitolo del tutorial NASA le è dedicato. Leggendo il documento si respira veramente un’aria da “dietro le quinte” di grande fascino-

In generale la Ground Station deve essere in grado di localizzare il satellite e conoscerne la posizione in ogni momento, inviargli comandi e gestire la connessione dati. Quest’ultima si può appoggiare a bande radiofrequenza lasciate a disposizione di servizi per radioamatori. Il tutorial NASA costituisce una lettura interessante per chiunque sia coinvolto nella progettazione di sistemi complessi. Esso e` pieno di buoni consigli circa sviluppo, testing e documentazione, cosa che lo rende raccomandabile anche a chi non abbia intenzione di costruire un CubeSat. Il tutorial permette inoltre un’immersione affascinante nelle tecnologie spaziali, con un livello di dettaglio certamente impossibile da cogliere per il grande pubblico, semplice spettatore delle missioni in orbita terrestre o extraterrestre, ignaro della mole di lavoro e know-how necessaria dietro le quinte. Esso costituisce anche una base per ulteriori approfondimenti, acquisendo i documenti indicati come riferimenti nelle varie sezioni.

Da un punto di vista più propriamente elettronico, ogni CubeSat costituisce un’applicazione completa, provvista di una sorgente di alimentazione autonoma (tipicamente celle solari), un computer di controllo (spesso costruito attorno ad un micro controllore), hardware e software dedicati all’esecuzione dell’esperimento oggetto della missione, un link di comunicazione radio. Il valore didattico della concezione, progettazione, messa a punto di un CubeSat e` quindi notevole di per se. La specifica lascia ampia liberta’ di scelta per quanto riguarda l’architettura e la componentistica elettronica. La comunità nata intorno a CubeSat ha tuttavia assunto lo standard PC/104 come standard de facto per l’elettronica di bordo. Anche in questo caso non siamo in presenza di una tecnologia particolarmente recente. Questo è tipico di ambiti applicativi che richiedano stringenti criteri di affidabilità, Avionica, Difersa, Automotive sono esempi classici. In questi ambienti si scambia il picco di performance offerto dalle tecnologie più recenti con la più ampia esperienza acquisita da tecnologie più mature. La prima revisione della specifica PC 104 è del marzo 1992, essa è stata però costantemente aggiornata e l’ultima revisione, la 2.6, e` del 2008. La compatibilità meccanica con CubeSat e la maturità della specifica hanno certamente contribuito a farla diventare la piattaforma di riferimento preferita. PC 104 definisce infatti un formato di circuiti stampati di 90 × 96 mm, compatbili con le dimensioni di CubeSat. I circuiti stampati possono essere impilati ed interconnessi senza bisogno di un backplane, necessario invece al personal computer originale. Il connettore di interconnessione è definito dallo standard e consiste praticamente in una versione adatta ad applicazioni embedded del bus PC ISA, proprio dei personal computer PC/XT e PC/AT. Il nome dello standard deriva proprio dal numero di segnali componenti il bus, 104 appunto. Il connettore è composto da strisce di contatti ad inserzione, con passo di 2,54 mm con buone caratteristiche meccaniche. La progettazione di un modulo compatibile con PC 104 era quindi basata sulla ben nota, all’epoca della stesura dello standard, tecnologia di interfaccia PC. PC 104 contiene naturalmente un insieme di linee dati, linee di indirizzo, segnali di controllo che governano l’ordinato trasferimento di dati da e verso memorie o periferiche. Non è naturalmente indispensabile utilizzare tutte le linee del bus, un conveniente sottoinsieme può essere adottato mantenendo la compatibilità meccanica dei circuiti stampati e connettore. L’implementazione completa del bus offre il vantaggio di poter acquistare ad utilizzare schede funzionali già disponibili sul mercato. A tal proposito un ricco e vivace e ecosistema si è creato intorno a CubeSat. Esistono aziende che vendono schede PC 104 ma anche kit o sistemi quasi completi per realizzare il proprio CubeSat, vedi ad esempio http://www.pumpkininc.com . Sono disponibili soluzioni basate su microcontrollori semplici, PIC, 8051, MSP430, AVR, 68HC11 ma anche dispositivi più complessi PIC32 o ARM. Naturalmente il kit andrà completato con la circuiteria necessaria ad implementare le funzioni richieste dalla propria specifica missione. Rovistando nel Web store è anche possibile farsi un’idea dei costi da sopportare, qualora si decida di acquistare parti invece che realizzarsi tutto in casa. L’esplorazione della documentazione disponibile nei siti e la frequentazione dei blog dedicati, consentono di avere una gran mole di informazione ma anche di essere inseriti in un ambiente stimolante ed in grado di fornire supporto. L’elettronica di bordo sarà chiamata a risolvere problematiche decisamente inusuali nelle applicazioni terrestri. Anzitutto dovrà resistere alle sollecitazioni meccaniche del lancio, con notevoli accelerazioni e violente vibrazioni, sia pur per un periodo di tempo limitato. L’apparecchiatura sarà poi esposta al vuoto con i conseguenti fenomeni di degassazione dei materiali. Le temperature ambiente potranno andare dagli oltre 100° dell’esposizione diretta al sole ai -170° del cono d’ombra della Terra. Bisogna notare che il raffreddamento per convenzione, ovvero circolazione di aria, non è disponibile nello spazio e di questo bisogna tenere conto nel dimensionamento dell’elettronica. L’esposizione diretta ai raggi cosmici ed alla radiazione di provenienza solare completano l’ostile profilo ambientale in cui ci si trova ad operare. Le radiazioni consistono per la maggior parte in protoni (90%) , seguite da particelle alfa (nuclei dell’atomo di elio), nuclei più pesanti dell’elio, elettroni, raggi X e raggi gamma (entrambi questi ultimi sono radiazioni elettromagnetiche ad alta energia). La resistenza alla radiazione è tipicamente garantita in applicazioni aerospaziali attraverso l’utilizzo di componenti appositamente progettati, costruiti, qualificati e selezionati. Nel caso di nano satelliti, volendo contenere i costi e’ diffusa la tendenza all’utilizzo dei cosiddetti componenti COTS (Commercial Off-The-Shelf), componenti comuni privi quindi di qualifiche aerospaziali.

Entrando in dettaglio, l’effetto delle radiazioni elettromagnetiche ad alta energia puo` essere un’accumulazione progressiva di carica sulla gate isolata dei transistor MOS. Tale carica cambia le caratteristiche elettriche del transistor in particolare la tensione di soglia e la corrente di perdita fino a provocare malfunzionamenti. Il guasto non è quindi tipicamente istantaneo ma richiede un’esposizione prolungata. Lo stato logico di una cella di memoria o di registro potrebbe venirne alterato con conseguenze a priori impredicibili.  Più distruttivi sono gli impatti tra le particelle ad alta energia ed il reticolo cristallino del semiconduttore. Questi possono causare danni fisici alla struttura microscopica dei chip ed anche innescare fenomeni transitori chiamati Latch-Up, dove I tiristori parassiti, presenti per costruzione a normalmente inerti, vengono invece innescati, creando percorsi conduttivi verso l’alimentazione e/o massa in grado di far circolare correnti di notevole intensità. Queste correnti possono provocare danni permanenti attraverso la fusione di metallizzazione e di interconnessioni. Una volta innescato, il tiristore parassita rimane in conduzione fino a che è presente l’alimentazione. Se è possibile spegnere l’apparecchiatura prima che le sovracorrenti creino danni fisici, la funzionalità sara’ ripristinata semplicemente riaccendendo l’ alimentazione.

L’intensità della radiazione dipende fondamentalmente dall’altezza dell’orbita, risultando ridotta ad altezze inferiori di 300 – 500 km. Anche componenti COTS possono risultare idonei a missioni spaziali in queste condizioni, adottando alcune precauzioni che accenneremo tra poco. In orbite oltre 1000 km l’intensità della radiazione è invece tale da risultare fatale in breve tempo a chip non esplicitamente progettati (RAD Hard). Il fenomeno di Latch-Up può essere contrastato monitorando le correnti di alimentazione e generando un veloce ciclo power down / power up al presentarsi di anomalie. Una diversa linea di difesa, con qualche efficacia anche negli altri fenomeni visti, consiste nel tollerare gli inevitabili guasti. L’architettura può far uso di ridondanza dei circuiti più importanti, ottenuta attraverso l’adozione di unità multiple e sistemi di votazione (ad esempio tre microcontrollori utilizzati come computer di bordo, invece che uno solo). Due risultati uguali possono neutralizzare l’effetto del terzo, diverso, considerato errato. L’adozione di circuiterie per Error Correction Code su tutte le memorie può ridurre danni e prolungare la vita attiva dell’apparato.

Come abbiamo visto CubeSat e` un piccolo sistema autonomo completamente indipendente. Anche se non ne lanceremo mai uno nello spazio, può darsi che ci siano altre possibilità di utilizzare tecnologia simile, ad esempio facendo volare un CubeSat semplificato, agganciato ad un pallone aerostatico. Il CubeSat potrebbe essere destinato a raccogliere immagini e dati dell’atmosfera durante il volo e trasmetterle a terra. Un’altra possibilità potrebbe essere l’utilizzo di un sistema simile a CubSat agganciato ad un drone. In questo caso sarebbe probabilmente opportuno ridurre il peso e dimensioni del nanosatellite, magari utilizzando anche materiali leggeri per la struttura esterna. Sono naturalmente possibili applicazioni didattiche, eventualmente completamente statiche. Essendo un CubeSat un’entità completa ed autonoma, dall’alimentazione alla comunicazione, nulla vieta di realizzare l’applicazione, ad esempio una centralina di monitoraggio ambientale terrestre nel formato standard, anche se questo non si leverà mai in volo. Dopo tutto l’architettura di CubeSat è molto simile a molte applicazioni Internet of Things. La differenza principale è proprio nella comunicazione, utilizzante collegamenti radio anziché Internet. Vorrei con questo suggerire applicazioni CubeSat da … salotto, magari come soluzioni creative al monitoraggio ambientale.

In conclusione, possiamo dire che a nato come sofisticato strumento didattico inteso a permettere l’accesso alla tecnologia aerospaziale ad università ed enti di ricerca, CubeSat si sta sviluppando come un ramo di attività scientifica, commerciale ed industriale molto vivace ed ambizioso, in grado di garantire l’accesso allo spazio anche ad enti non governativi. Decisamente un settore di cui vale la pena seguire l’evoluzione nei prossimi anni.

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About The Author

Sono nato a Bergamo nel lontano 1958, 5 mesi dopo il lancio dello Sputnik, quindi già in Era Spaziale. Sono appassionato di elettronica dall'età di 12 anni circa. Il contagio è avvenuto, guarda caso, attraverso riviste regalatemi da un cugino più "anziano". Subito dopo il diploma in Elettrotecnica ho avuto la fortuna di trasformare la mia passione per l'elettronica in lavoro e l'avventura è ancora in corso 39 anni dopo... Mi sono occupato di progettazione e collaudo di componenti, schede, apparecchiature di produzione, strumentazione e sistemi. Non vi tedio con i dettagli, se siete curiosi potete trovarli nella mia pagina LinkedIn https://it.linkedin.com/pub/mario-rotigni/28/b74/9b3 Oltre naturalmente a molto studio autonomo, all'ITIS, al Politecnico di Milano ed alle molte occasioni di aggiornamento offerte dalle aziende per cui ho lavorato, sono state determinanti per la mia carriera esempio ed aiuto ricevuti da parte di molte persone (che colgo qui l'occasione per ringraziare). Consigli, spiegazioni, opportunità ricevute, attività insieme, tutto ha "allargato la mente", come si suol dire, aiutandomi ad avanzare in un settore nel frattempo letteralmente esploso e dilagato dai ristretti ma rigorosi confini dell'industria e della ricerca alle mani di tutti noi. Parte di questa rete di contatti, relazioni, sorgenti di informazioni sono anchele riviste di settore, amatoriali e, più tardi, professionali. Ricordo con piacere l'attesa dell'uscita della rivista preferita e la curiosità della mia adolescenza per quello che ci avrei trovato dentro, completamente imprevedibile in molti casi. Oggi mi fa molto piacere partecipare al tentativo di ricreare quelle stesse emozioni in altri, ragazzi e ragazze di ogni età, cosciente dei miei limiti ma desideroso di far trascorrere qualche bel momento e contribuire a consolidare e sostenere la passione che abbiamo in comune.

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